--- # System prepended metadata title: '[2] Arduino講義: Environment與跑馬燈＋按鍵+多工七段顯示器＋鍵盤' tags: [單晶片助教] --- --- tags: 單晶片助教 --- {%youtube Nq6kP6FNg1c %} # [2] Arduino講義: Environment與跑馬燈＋按鍵+多工七段顯示器＋鍵盤 # Install the Arduino * 至Arduino官方網站下載開發環境： (https://www.arduino.cc/en/Main/Software) * 開起「裝置管理員」，將 Arduino 接上，看一下是否有新增 USB 序列裝置(COM6)，**不一定為 COM6 喔**。 ![](https://i.imgur.com/7n0TLcm.png) * **若「USB序列裝置」出現無法辨識的裝置** **方法一 : 按滑鼠右鍵，選擇「更新驅動程式」，並點選「自動搜尋更新的驅動程式軟體」，可以排除問題。** **方法二 : 按滑鼠右鍵，選擇「更新驅動程式」，並點選「瀏覽電腦上的驅動程式軟體」，瀏覽下載Arduino的地方(arduino-1.8.8)，找到drivers檔，點選並安裝。**![](https://i.imgur.com/SSvHWRm.png) **方法三 : 搜尋COM port安裝檔，下載後執行 https://sparks.gogo.co.nz/ch340.html** ![](https://i.imgur.com/xDlQzCs.jpg) * 開啟Arduino IDE ![](https://i.imgur.com/Dwc2efw.png) * 按下工具→序列埠，同時將arduino接上，選擇Uno，即可以使用。 ![](https://i.imgur.com/BPaazpM.png) * 在「開發板」的部分記得確認是**Arduino/Genuino Uno**。 ![](https://i.imgur.com/Z2JcGLV.png) ## Arduino Common Function **1.setup()** 設定程式參數，如：指定接腳的輸入輸出狀態，setup()裡的程式碼只會執行一次。 **2.loop()** 在loop()函式中的程式碼將會不停地重複執行，直到電源關閉為止。 ![](https://i.imgur.com/bJVIF0x.png) --- > ## Introduction of GPIO (General Purpose Input Output) ![](https://i.imgur.com/ukpB4Ih.png) >通用輸入/輸出，每個 GPIO 端口可透過軟件分別配置成 INPUT 或者 OUTPUT ，其接腳可以供使用者由程式控制。 >* **Input mode：** MCU 透過 GPIO 腳從外面收資料/信號，可以獲取外接感測器(溫度、紅外線感測器等)狀態、高低電位等資訊。 >* **Output mode：** MCU 透過 GPIO 腳將資料/信號送出，可用於控制LED、蜂鳴器及伺服馬達…等。 >* GPIO 端口可以當 I2C(**LCD 16x2**)、SPI (10~13)、UART(**Bluetooth**)…等多種用途，也能作為 IRQ (中斷要求)(2、3)的信號。 --- **3.pinMode(pin,mode)** 用於設定接腳模式，該函數無返回值，pin代表所要配置的接腳，mode代表設置的模式-INPUT或OUTPUT。 Ex: ```C++= pinMode(13,OUTPUT)//將第13腳設定成「輸出」模式 pinMode(12,INPUT)//將第12腳設定成「輸入」模式 ``` **4.digitalWrite(pin,value)** 函數有兩個參數 digitalWrite(接腳,電壓值), 電壓值分為HIGH(高電位)與LOW(低電位)。 Ex: ```C++= digitalWrite(13,HIGH)//第13腳位為輸出「高電位」 ``` **5.digitalRead(pin)** 在接腳為輸入的情況下,可以獲取接腳的電壓為HIGH或LOW。 **6.delay(ms)** 設定程式運行停止時間長度，單位為ms，舉例來說delay(1000)就是延遲1000豪秒。 **7.millis()** millis()函數會回傳Arduino從執行程式碼開始至目前為止的milliseconds數值，其資料型態為unsigned long，該數值大約在50天之後會溢位(overflow)，屆時會從 0 開始重新計數。 ![](https://i.imgur.com/Iq2nZV6.png) 以上方程式碼為例，每一秒印出millis()的回傳值，利用delay(1000)產生1000毫秒的延遲。 然而，相鄰的兩個數值的差值可能並未完全為1000，則是由Serial.print()印出資料需要的時間差。 ## **Serial Library** ![](https://i.imgur.com/uP3t3at.png) **1. Serial.begin()** 啟動Serial Port並設定鮑率(baud rate)，鮑率可以被理解為單位時間內傳輸符號的個數 Ex: ``` C++= Serial.begin(9600);//開啟Serial Port，且通訊速率為9600bps(Bits Per Second) ``` **2. Serial.print()** 將字串透過TX腳位傳遞出去，並且顯示在Serial Monitor中 **3. Serial.println()** 傳送資料到外部電腦並切換至下一行 **4. Serial.write()** 以二進位碼(byte)輸出 ![](https://i.imgur.com/iIpMaef.png) **5. Serial.read()** 讀取進來的第一個位元組 (first incoming byte)。 **6. Serial.available()** 取得 Serial Port 可讀取的資料位元組數目 (number of bytes)，如果 Serial port 有資料進來，Serial.available() 會回傳大於 0 的數值。 --- 通常我們會使用 Serial.available() 來檢查是否有資料進來，在使用Serial.read()把資料讀取出來放到變數後供後續使用。例如： ```c++= int incomingByte = 0; // 用來儲存收進來的 data byte void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Hello"); } void loop() { // 檢查是否有資料可供讀取 if (Serial.available() > 0) { // 讀取進來的 byte incomingByte = Serial.read(); // 印出收到的資料 Serial.print("data received: "); Serial.print(incomingByte, DEC); Serial.print(", "); Serial.print(incomingByte, HEX); Serial.println(" (HEX)"); } ``` --- **<> Arduino其他相關語法請參考：[Arduino語言手冊](https://h2maker.wordpress.com/arduino/)** --- ## **Arduino講義：跑馬燈 ＋ 按鍵 + 多工七段顯示器 ＋ 4 x 4鍵盤** ## **1.跑馬燈(Electronic Marquee)** ### 模組說明 ![](https://i.imgur.com/cxsQfH9.png) **<>** **需要限流電阻(大概 220Ω 或 330Ω)，使 LED 流進電流不超過20mA。** ## Arduino LED Blink ![](https://i.imgur.com/Rva87AE.png) > ## 程式說明 ```C++ const int LedPin = 8; void setup() { pinMode(LedPin, OUTPUT); //將第8腳位設定成OUTPUT模式 } void loop() { digitalWrite(LedPin, HIGH); //第8腳位輸出高電位，點亮LED delay(500); //等待500ms digitalWrite(LedPin, LOW); //第8腳位輸出低電位，熄滅LED delay(500); //等待500ms } ``` --- ## LAB 1-1 * 實驗目的：學習對Arduino的GPIO及LED基本控制方式。 * 實驗目標：設定5個GPIO來實現跑馬燈，模式如範例影片所示 * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```c++= int Led[5] = {8, 9, 10, 11, 12}; void setup() { for(int i=0; i<5; i++) pinMode(Led[i], OUTPUT); } void loop() { /* Do something ^~^ */ } ``` * 範例影片 \\\^~^/ {%youtube 0es2kQqbLis %} --- ## LAB 1-2 (Bonus) * 實驗目的：學習對Arduino的GPIO及LED基本控制方式。 * 實驗目標：設定5個GPIO來實現跑馬燈，模式如範例影片所示 * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```c++= #define ROW 30 #define COLUMN 5 int Led[COLUMN] = {8, 9, 10, 11, 12}; int pos[ROW][COLUMN] = { /* 模式 */ }; void setup() { for(int i=0; i ### 使用Arduino內部的上拉電阻 Arduino內部的pin腳考量到拿來做數位輸入，有內建上拉電阻（除了D13腳位），可取代外接上拉電阻。 ```C++= pinMode(pin,INPUT_PULLUP); ``` ## LAB 2-1 Button & LED * 實驗目的：認識上拉電阻與下拉電阻的接法差別，並用Button控制LED * 實驗目標：按上拉電阻的 Button 時，LED 向左一顆亮；按下拉電阻的Button時，LED 向右邊一顆亮。 * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```c++= const int Led[5] = {8, 9, 10, 11, 12}; //LED const int sw_up = 2; //按鈕1 const int sw_down = 3; //按鈕2 int pos = 2; //初始亮LED位置 void setup() { for(int i=0; i<5; i++){ pinMode(Led[i], OUTPUT); digitalWrite(Led[i], LOW); } digitalWrite(Led[2], HIGH); pinMode(sw_up, INPUT_PULLUP); //內建上拉電阻 pinMode(sw_down,INPUT); } void loop() { bool swstate_up = digitalRead(sw_up); bool swstate_down = digitalRead(sw_down); if(swstate_up==LOW){ /* Do something */ } else if(swstate_down==HIGH){ /* Do something */ } } ``` * 範例影片 {%youtube EuoREBGsaRU %} --- ### 彈跳問題 機械式開關在切換的過程中，訊號並非立即從1變成0或從0變成1，而是會經過如下圖一般有忽高忽低的情況。 雖然彈跳的時間很短暫，但arduino仍會讀取到其連續變化的開關訊號，而導致誤差。 ![](https://i.imgur.com/wTXp74A.png) > ### 消除彈跳(de-bouncing)方法 在發現訊號開始變化時先讀取，在經過一段時間後，若訊號仍為HIGH，則視為按下第二次按鈕。 ## LAB 2-2 de-bouncing * 實驗目的：解決Button彈跳問題 * 實驗目標：無論長按或短按，按一下按鈕改變LED亮暗，且沒有不規則閃爍的問題； ==Hint：不能使用delay()函式喔~== * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```c++= const int button = 2; const int led = 13; //UNO內建LED bool led_state = HIGH; bool tick_led_state = HIGH; void setup() { pinMode(button, INPUT_PULLUP); //上拉 pinMode(led, OUTPUT); digitalWrite(led, led_state); digitalWrite(tick_led, tick_led_state); } void loop() { if(digitalRead(button)==HIGH){ //沒按按鈕 /* Do something */ } else if(digitalRead(button)!=HIGH){ //按按鈕 /* Do something */ } } ``` * 範例影片： {%youtube AZMKNSqHxz8 %} --- # Arduino講義：多工七段顯示器與掃描鍵盤 ## 3. 多工七段顯示器(Multiplexed Seven-Segment display) > ### 七段顯示器 ![](https://i.imgur.com/CL8AjzP.png) ![](https://i.imgur.com/jCHvCki.png) **<>** **注意!!需額外增加限流電阻，否則內部可能會燒毀!!** ![](https://i.imgur.com/bg7CQ4b.png) 依據電源連接方式的不同，七段顯示器可以分成「**共陽極**」與「**共陰極**」兩種： 共陰極代表所有的LED接地端都相連，故LED的另一端接「高電位」就會發光；相反地，共陽極則是輸入「低電位」來發光。 | 十進位數 | a | b |c|d|e|f|g| | - | - | - | - | - | - | - | - | |0|1|1|1|1|1|1|0| |1|0|1|1|0|0|0|0| |2|1|1|0|1|1|0|1| |3|1|1|1|1|0|0|1| |4|0|1|1|0|0|1|1| |5|1|0|1|1|0|1|1| |6|1|0|1|1|1|1|1| |7|1|1|1|0|0|0|0| |8|1|1|1|1|1|1|1| |9|1|1|1|1|0|1|1| > ### 多工七段顯示器 ![](https://i.imgur.com/k4HT6lO.png) ![](https://i.imgur.com/NTsPOqR.png =50%x)![](https://i.imgur.com/d4zoQH0.png =50%x) * 實際接腳位置： | 多工七段顯示器 | Arduino | | :-----: | :-: | | 0 |Pin10| | 1 |Pin11| | 2 |Pin12| | 3 |Pin13| | a |Pin2 | | b |Pin3 | | c |Pin4 | | d |Pin5 | | e |Pin6 | | f |Pin7 | | g |Pin8 | | dp |Pin9 | ## LAB 3-1 多工七段顯示器 * 實驗目的：學習對Arduino的GPIO與多工七段顯示器掃描基本控制方式 * 實驗目標：控制多工七段顯示器顯示＂**2023**＂ * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```c++= const int SEG_COM[4] = {10, 11, 12, 13}; //控制線 const int SEG_data[10][8] = {{1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0}, //"0" //資料線 {0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"1" {1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0}, //"2" {1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0}, //"3" {0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}, //"4" {1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //"5" {1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"6" {1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"7" {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"8" {1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}}; //"9" int disp[4] = {2, 0, 2, 3}; //欲顯示數字 void setup() { for(int i=2; i<=13; i++){ pinMode(i, OUTPUT); digitalWrite(i, HIGH); //共陽極 } } void loop() { for(int i=0; i<=3; i++){ //個、十、百、千位數 digitalWrite(SEG_COM[i], LOW); //觸發第i位數顯示數字 SEG_Drive(disp[i]); //資料線寫入數值 delay(5); digitalWrite(SEG_COM[i], HIGH); //結束觸發第i位數 } } void SEG_Drive(char number){ //將字元變數從SEG_data[][]找到相對應的位置，並寫入a~g中 /* Do something */ } ``` * 範例影片： {%youtube FioqrakR8O8 %} --- ## LAB 3-2 多工七段顯示器數(ㄕㄨˇ)數 * 實驗目的：學習對Arduino的GPIO與多工七段顯示器掃描基本控制方式 * 實驗目標：控制多工七段顯示器 每隔一秒計數加一 * 參考程式碼（可任意新增改寫） ```C++ const int SEG_COM[4] = {10, 11, 12, 13}; //控制線 const int SEG_data[10][8] = {{1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0}, //"0" //資料線 {0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"1" {1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0}, //"2" {1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0}, //"3" {0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}, //"4" {1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //"5" {1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"6" {1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //"7" {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //"8" {1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}}; //"9" int disp[4]; //顯示數字 int number = 0; int timer = 0; void setup() { Serial.begin(9600); for(int i=2; i<=13; i++){ pinMode(i, OUTPUT); digitalWrite(i, HIGH); //共陽極 } } void loop() { number_transfer(number); //數值轉換入陣列中 /* Do something(改寫Lab3-1) */ } void number_transfer(int Num){ //四位數拆成四個獨立的數字，存入陣列disp[]中 /* Do something */ } void SEG_Drive(char number){ //將字元變數從SEG_data[][]找到相對應的位置，並寫入a~g中 /* Do something */ } ``` * 範例影片： {%youtube 0qCCoaZ-apg %} --- ## 4. 4x4鍵盤(Keypad) ![](https://i.imgur.com/9LfIBf6.png) > ### 按鈕偵測與掃描原理（1x3簡化版） --- ![](https://i.imgur.com/1oR4N7l.png) 假設開關的「行１」～「行３」輸入端全部都輸出高電位，則無論開關是否被按下，Arduino都將會接收到**高電位**。因此，為了偵測到使用者按下的開關鍵，撰寫程式時必須依序將「行１」～「行３」設置成**低電位**來檢測。 * 輪到「行１」腳被掃描時，「行１」腳輸入低電位，但Ａ開關沒有被按下，所以Arduino的微控腳接收到高電位(１) ![](https://i.imgur.com/n9dBBz0.png) * 在掃描到「行２」時，「行２」腳輸入低電位，且Arduino的微控腳也接收到低電位(0)，因此可以判斷出「行２」的Ｂ開關被按下。 ![](https://i.imgur.com/lTn2icb.png) * 輪到「行３」腳被掃描時，「行３」腳輸入低電位，但Ｃ開關沒有被按下，所以Arduino的微控腳接收到高電位(１) ![](https://i.imgur.com/crZsTYq.png) --- 實際上的使用需要運用到**雙重迴圈(4x4)**，才能夠分批掃描到每一列： ![](https://i.imgur.com/8YSHIj2.png) > ### 實際腳位配置 | 4x4 Keypad | Arduino | | :--------: | :-------: | | 1(ROW1) | Pin A0 | | 2(ROW2) | Pin A1 | | 3(ROW3) | Pin A2 | | 4(ROW4) | Pin A3 | | 5(COL1) | Pin 2 | | 6(COL2) | Pin 3 | | 7(COL3) | Pin 4 | | 8(COL4) | Pin 5 | ## LAB 4-1 掃描式鍵盤 * 實作目的：學習如何使用掃描式鍵盤 * 實作目標：**在不使用的情況**，以Keypad鍵入資料，將資料透過UART傳輸至內建的Serial Monitor * 參考程式碼（可自行改寫） ```C++ const byte colPins[4] = {2, 3, 4, 5}; //行腳位 const byte rowPins[4] = {A0, A1, A2, A3}; //列腳位 const char keymap[4][4] = {{'1', '2', '3', 'A'}, //Keypad對應符號 {'4', '5', '6' ,'B'}, {'7', '8', '9', 'C'}, {'*', '0', '#', 'D'}}; void setup() { Serial.begin(115200); for(int i=0; i<=3; i++){ pinMode(rowPins[i], INPUT_PULLUP); pinMode(colPins[i], OUTPUT); digitalWrite(colPins[i], HIGH); } } void loop() { for(int i=0; i<=3; i++){ for(int j=0; j<=3; j++){ digitalWrite(colPins[i], LOW); if(analogRead(rowPins[j])<=512){ Serial.println(keymap[j][i]); delay(300); } } digitalWrite(colPins[i], HIGH); } } ``` * 範例影片： {%youtube wBKy9NmiV2I %} --- > ### 匯入Keypad函式庫 Keypad程式庫的運作方式與LAB 4-1 大致相同，且多了除彈跳(de-bouncing)的部分。LAB 4-1有助於了解掃瞄鍵盤的原理，實際使用上仍是Keypad程式庫為主。 [**Keypad Library下載**](https://www.arduinolibraries.info/libraries/keypad) ![](https://i.imgur.com/aIS1wcX.png) ![](https://i.imgur.com/z7ufiOA.png) 使用Keypad函式庫，程式碼需定義按鍵模組的**行(col)**、**列(row)**、**連接Arduino的腳位**以及**按鍵所代表的字元**。 ![](https://i.imgur.com/MrWNGmx.png) ```c++= #include //引用Keypad函式庫 #define KEY_ROWS 4 //按鍵模組的列數 #define KEY_COLS 4 //按鍵模組的行數 const byte colPins[4] = {2, 3, 4, 5}; const byte rowPins[4] = {A0, A1, A2, A3}; const char keymap[KEY_ROWS][KEY_COLS] = { {'1','2','3','A'}, {'4','5','6','B'}, {'7','8','9','C'}, {'*','0','#','D'} }; Keypad myKeypad = Keypad(makeKeymap(keymap),rowPins,colPins,KEY_ROWS,KEY_COLS); void setup(){ Serial.begin(115200); } void loop(){ //透過Keypad函式庫裡的getkey()方法讀取按鍵的字元 char key = myKeypad.getKey(); if(key){ //若有按鍵按下則顯示按下的字元 Serial.println(key); } } ``` ## LAB 4-2 Keypad 輸出字串 * 實驗目的：學習如何使用掃描式鍵盤及其應用 * 實驗目標：利用Keypad輸入按鍵，並且將值暫存在 buffer 中，按下 * 後會將之前輸入的字元依序Print到Serial Monitor上。 * 範例影片： {%youtube nXlvsgAh54E %} ## LAB 4-3 Matrix keypad with 7 segment (Bonus) * 實驗目的：學習如何使用掃描式鍵盤與七段顯示器之結合應用 * 實驗目標：利用Keypad輸入按鍵，按數字 1~9 會分別在七段顯示器上顯示。 | 多工七段顯示器 | Arduino | 4x4 Keypad|Arduino| | :-------: | :-----: |:------:|:------:| | 0 |Pin9 |Row1|A0| | a |Pin2 |Row2|A1| | b |Pin3 |Row3|A2| | c |Pin4 |Col1|13| | d |Pin5 |Col2|12| | e |Pin6 |Col3|11| | f |Pin7 | g |Pin8 * 實驗結果： {%youtube AigN8GxwVDI %} :::info ## 課後習題 1. 請描述機械式開關的彈跳現象，並舉出彈跳現象的例子。 2. 描述多工七段顯示器及鍵盤掃描的工作原理 3. 實驗心得 ::: :::success ## 作業繳交格式 **W2結報_第X組.zip** 壓縮檔裡包含: 1.W2結報.pdf 2.資料夾:W2 Lab1-1.ino Lab1-2.ino ... :::